肌肉生长抑制素在动物生产中的应用

赵义龙，黄金凤，张琪智，买尔外提·波拉提，赵金香，矫继峰*

(1.新疆农业职业技术学院动物科技学院，新疆 昌吉 831100；2.新疆昌吉市华牧动物诊所，新疆 昌吉 831100；3.新疆生产建设兵团第十三师红山农场经济发展局，新疆 哈密 839000；4.塔城地区中等职业技术学校，新疆 塔城 834700；5.营口理工学院，辽宁 营口 115014）

肌肉生长抑制素在动物生产中的应用

赵义龙1，黄金凤2*，张琪智3，买尔外提·波拉提4，赵金香5，矫继峰5*

(1.新疆农业职业技术学院动物科技学院，新疆 昌吉 831100；2.新疆昌吉市华牧动物诊所，新疆 昌吉 831100；3.新疆生产建设兵团第十三师红山农场经济发展局，新疆 哈密 839000；4.塔城地区中等职业技术学校，新疆 塔城 834700；5.营口理工学院，辽宁 营口 115014）

肌肉生长抑制素(MSTN）属于TGF-β超家族成员，是骨骼肌生长发育的负调节因子。MSTN作为胞外信号分子可与成肌细胞膜上的受体结合引起受体自身的磷酸化，启动细胞内一系列信号传导途径，作用于生肌决定因子(MyoD）靶基因的调控区，调节肌肉组成蛋白基因的表达，从而对骨骼肌的生长发育进行调控。

肌肉生长抑制素；生肌决定因子；调控；信号传导途径

肌肉生长抑制素（MSTN）又称为GDF-8，是转化生长因子β家族的成员，是近年来发现的一种重要的肌细胞生长调控因子[1]。MSTN通过调控成肌细胞的增殖影响肌肉的生长与发育，其变异会导致肌细胞增生与肌纤维肥大，从而对动物的产肉力产生直接影响。近年来，由于分子遗传学、分子生物学技术、体外细胞培养技术、基因定点编辑技术的发展和应用，使人们对肌肉细胞的分化、生长和发育的调控在分子水平上有了比较深刻的认识[2-3]。

本文主要对MSTN在肌肉调控中的作用机制、信号传导途径及在动物生产中的应用进展等方面进行了阐述。

1 MSTN的生物学特性

1.1 MSTN的结构 MSTN是一种分泌性多肽，由376个氨基酸构成，具有TGF-β超家族的典型特征。MSTN氨基酸序列构成：N端有相同的氨基酸序列作为分泌信号；C端有保守的蛋白酶水解位点RSRR；有9个半胱氨酸残基在C端形成“Cys Knot”的结构，并通过二硫键形成生物学活性二聚体。MSTN前体蛋白包括信号肽、N端前肽和C端成熟肽。前体蛋白经过2次酶解，切除信号肽和前肽，成熟肽与细胞膜上的I型Ser/Thr蛋白激酶受体（ActR I）以及ActR IIB结合，通过信号传导途径进入细胞核，调控靶基因[4]。

1.2 MSTN对肌肉生长、脂肪沉积有调控作用 MSTN的功能在不同种属间高度保守，主要是抑制成肌细胞的增殖，是肌肉生长发育的负性调控因子。正常情况下会抑制肌肉生长和发育。相反，当MSTN基因在某些条件下缺失或突变时，导致肌肉肥大，即引起动物的“双肌”现象。

MSTN基因的缺失可能导致肌肉和脂肪的形成或转化。Jackson等[5]研究发现，在中年鼠中缺失MSTN，其脂肪含量明显下降，瘦肉明显增加，表明敲减MSTN可以减缓老化带来的病理学症状。

2 MSTN在肌肉调控中的作用机制

2.1 MSTN抑制成肌细胞增殖 MSTN控制成肌细胞增殖的途径是通过调控细胞周期进程来抑制成肌细胞增殖。细胞周期受细胞周期素（Cyclin）、细胞周期素依赖性蛋白激酶（Cdks）、细胞周期素依赖性蛋白激酶抑制因子（Ckis）的共同作用。Cdks作为细胞周期循环的必需因子，在细胞周期中起调控作用，完成细胞周期循环，促进肌管生成。Ckis包括2个家族（P16和P21），这2个家族通过调控Cdks的活性来阻断细胞周期，抑制成肌细胞的增殖。P16家族可抑制Cdk4和Cdk6，而P21家族则抑制所有参与G1/S期转化的Cdks。

2.2 MSTN抑制成肌细胞分化 骨骼肌分化涉及成肌细胞从细胞周期退出以及肌肉特定基因的表达，很多细胞外生长因子和细胞间信号传导参与此过程。当成肌细胞从高浓度血清培养基转移到低浓度血清培养基中时，成肌细胞能够退出有丝分裂阶段，产生分化。MSTN通过抑制生肌决定因子（MyoD、Myf5、MyoG）和P21的表达来可逆地抑制成肌细胞的分化[10-11]。

3 MSTN信号传导途径

MSTN通过激活素受体来介导信号传导。活化的MSTN与激活素受体ActR II B结合发挥功能，抑制细胞增殖和分化。激活素受体是跨膜的丝氨酸/苏氨酸激酶，分为I型受体和II型受体。I型受体ActR I（ALK4和ALK5）有唯一的Gs区域，该区域在细胞内与激酶区域相邻；而ActR II受体没有这一区域。MSTN与ActR II B结合后再与I型受体组装，使其Gs区域磷酸化。因此，MSTN的信号是通过激活两个受体的复合物来介导的。

MSTN抑制肌细胞生成的途径：活化的MSTN与其受体ActR II B结合后使Smad2/3磷酸化，Smad2/3是一个甲基转移酶，可以通过溴结构域蛋白BRD4调控MSTN的表达。磷酸化的Smad2/3与Smad4结合形成复合物，而Smad7会抑制这一过程。形成的Smad2/3和Smad4复合物通过抑制Pax3的活性来抑制Myf5、Mrf4的活性，进而抑制MyoD和MyoG的活性，并最终抑制肌细胞生成[8-9]。

4 MSTN在动物生产中的应用

4.1 水产养殖中的应用 Shen等[10]在日本沼虾中将MSTN/GDF11的cDNA进行克隆（全长MSTN/GDF11的cDNA为1733个核苷酸，包括5′UTR 119个核苷酸、ORF 1359个核苷酸、3′UTR 255 个核苷酸），在虾的整个蜕皮循环过程中，MSTN/GDF11在蜕皮前期表达量增加，后期减少；在虾的眼柄被切除后的14d，MSTN/GDF11的转录大量降低，导致腹部和心脏肌肉减少，胸部肌肉增加。本研究表明，MSTN/GDF11基因在虾的蜕皮循环中起到决定性作用。Liu等[11]将大头鲤MSTN（AnMSTN）基因进行克隆和分析，AnMSTN基因全长3769bp，其中包括3个外显子、2个内含子和一个全长2141bp的cDNA，且含有375个氨基酸的开放阅读框。AnMSTN属于MSTN-1，在肌肉各个组织中均有高水平的表达。此基因在总长度、体重、体长等各方面起着决定性作用，对大头鲤的选育尤为重要。

4.2 在牛羊生产中的应用 Luo等[12]利用锌指核酸酶技术成功培育出敲除MSTN的新型鲁西黄牛个体，具有明显的双肌臀性状。Hu等[13]获得了RNAi干扰MSTN的转基因羊，其MSTN的表达被明显抑制，转基因羊体重增加加快，肌纤维直径增加。Zheng等[14]在绵羊胎儿成肌细胞中通过同源重组技术成功地定点诱变了陶赛特羊的MSTN基因，使其3′UTR区上游281bp的G突变成A，并证明该突变可以有效地下调MSTN基因的表达。

4.3 在猪生产中的应用 Zhou等[15]通过锌指核酸酶技术敲除了五指山小型猪的MSTN基因，并验证发现敲除MSTN基因不会对其胚胎发育潜力造成不利影响。

5 MSTN在生产中的应用前景

MSTN基因的应用前景十分广泛。在畜牧业上，已有大量研究利用基因敲除技术获得MSTN基因缺失的动物，并利用分子标记技术结合数量育种培育出瘦肉率高且符合人们需求的畜禽品种。在人类医学上，MSTN对肌肉萎缩症的治疗有很大帮助，可以从基因敲除着手，从根本上改善该疾病或者开发出对应的抗体和抑制剂，达到抑制MSTN基因表达的目的，从而解除或缓解MSTN基因对肌肉细胞的抑制作用。

综上所述，MSTN基因在肌肉发育中具有重要的调控作用，深入研究MSTN基因作用机制及其与其他信号通路的互作关系，对于研究动物新品种选育及治疗肌肉相关疾病均有较高的价值。

[1]杜玮，夏俊，李红波，等.MSTN在动物育种中的应用研究进展[J].现代农业科技，2015（11）：274-276.

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[4]孙丹红，王浩，孙聪.肌肉生长抑制素及其在动物育种中的应用[J].中国畜牧兽医文摘，2012，28（4）：61-62.

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[6]乌日罕，付艳茹，格日勒图.肌肉生长抑制素基因（MSTN）的研究进展[J].畜牧与饲料科学，2015，36（8）：3O-32.

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[9]李帅，杨舒黎，苟潇，等.肌肉生成抑制素（MSTN）基因研究进展[J].中国畜牧兽医，2011，38（2）：60-64.

[10]Shen Wenying， REN Gang， Zhu Yaorong， et al.Characterization of MSTN/GDF11 gene from shrimp Macrobrachium nipponense and its expression profiles during molt cycle and after eyestalk ablation[J].Genes Genom，2015，37：441-449.

[11]Liu Lusha， Yu Xiaomu， Tong Jingou.Molecular characterization of myostatin（MSTN） gene and association analysis with growth traits in the bighead carp（Aristichthys nobilis）[J].Mol Biol Rep，2012，39（9）：9211-9221.

[12]Luo Junjie，Song Zhiyuan，Yu Shengli，et al.Efficient generation of myostatin（MSTN）biallelic mutations in cattle using zinc finger nucleases[J].Plos One，2014，9（4）.

[13]Hu Shengwei，Ni Wei，Sai Wujiafu，et al.Knockdown of myostatin expression by RNAi enhances muscle growth in transgenic sheep[J].Plos One，2013，8（3）.

[14]Zheng Yanling，Ma Huiming，Zheng Yuemao，et al.Site directed mutagenesis of the myostatin gene in ovine fetal myoblast cells in vitro[J].Res Veterin Sci，2011（11）.

[15]Zhou Zhengrong，Zhong Bushuai，Jia Ruoxin，et al.Production ofmyostatin-targeted goatby nuclear transfer from cultured adult somatic cells[J].Theriogenology，2013，79（2）：225-233.

Myostatin Application in Animal Production

Zhao Yilong1，Huang Jinfeng2*，Zhang Qizhi3，Maierwaiti·Bolati4，Zhao Jinxiang5，et al.
（1.Xinjiang Agricultural Vocational and Technical College，Xinjiang Changji 831100；2.Changji Huamu Animal Clinic，Xinjiang Changji 831100；3.Economic Development Board of Hongshan Farm，the Thirteenth Division of Xinjiang Production and Construction Corps，Xinjiang Hami 839000；4.Secondary Vocational and Technical School of Xinjiang Tacheng Prefecture，Xinjiang Tacheng 834700；5.Yingkou Institute of Technology，Liaoning Yingkou 115014，China）

Myostatin（MSTN）belongs to the members of the family of TGF-β，it is the negative regulation factors of skeletal muscle growth.MSTN as extracellular signal molecules can cause to receptors on the muscle cell membrane receptor phosphorylation，start a series of signal transduction in cells，act on the target gene regulation of decision factors（MyoD），adjust the expression of muscle protein gene，thereby regulate and control the growth of skeletal muscle.

MSTN；MyoD；Regulate and control；Signal transduction pathway

S813.24

A

1001-8964（2017)08-0029-03

2017-04-21

2017年度新疆农业职业技术学院资助项目(XJNZYKJ201718）

赵义龙(1981-），男，在读博士，副教授，研究方向：动物生物技术。

*通讯作者：黄金凤(1983-），女，硕士，兽医师，研究方向：动物疾病诊疗技术；矫继峰(1977-），男，博士，副教授，研究方向：蛋白质组成与动物疾病及产品品质相关基因表达调控。